Röhren-Taschenlampe mit Schalter

Was das Kind lernt

• Dass ein Stromkreis einen geschlossenen Weg von einem Pol der Batterie zum anderen braucht und dass ein Schalter nur ein Stück dieses Wegs ist, das sich öffnet und schließt.
• Dass die LED eine Polarität hat: Das lange Beinchen (Anode, +) muss an den Pluspol der Batterie, sonst leuchtet sie nicht.
• Welche Materialien leiten (Alu, Büroklammern aus Stahl) und welche isolieren (Klebeband, Karton, Papier).
• Was ein Kurzschluss ist und warum Alufolie die Batterie in wenigen Minuten leeren kann, wenn sie beide Pole berührt.
• Dass ein Reflektor (glänzender Kegel) das Licht nach vorn bündelt.

Vorher vorbereiten

• Drucke die Vorlagen mit 100 % aus und prüfe mit dem Lineal, dass die Scheibe C 42 mm misst.
• Miss den Innendurchmesser deiner Rolle: Sind es nicht 42 mm, zeichne die Scheibe C mit dem Zirkel in diesem Maß (sie muss genau passen, ohne Spiel).
• Teste jede LED vor der Einheit mit der Batterie (langes Beinchen auf der „+“-Seite, kurzes auf der anderen): Sortiere die aus, die nicht leuchten.
• Entferne bei neuen Batterien die Schutzfolie, falls vorhanden, und bewahre sie außer Reichweite von Kindern unter 6 Jahren auf.
• Für Gruppen: Schneide die Scheiben C und D und die Kegel R vorher aus.

Materialien und Werkzeuge

• Weiße LED — 1 (+1 als Ersatz) kaufen
  5 mm, hell, 3,0–3,3 V / 20 mA, lange Beinchen ungekürzt (das lange ist +)
• Knopfzelle — 1 kaufen
  CR2032 Lithium, 3 V, 220 mAh, Ø 20 × 3,2 mm
• Papprolle — 1
  Klopapierrolle, ≈ 100 mm lang und Ø 42–45 mm
• Büroklammern aus Metall — 2
  normale 32-mm-Klammern aus Stahl ohne Beschichtung (bunte haben Kunststoff: Sie leiten nicht)
• Alufolie — 1 Stück 30 × 30 cm
  normale Küchen-Alufolie
• Klebeband — ≈ 70 cm
  durchsichtig, 19 mm (isolierend)
• Wellpappe — 1 Stück 10 × 5 cm
  3 mm, für Lampenkopf und hinteren Deckel
• Fotokarton — 1 Stück 8 × 8 cm
  160–200 g/m², für den Reflektorkegel
• Klebestift — 1
  zum Aufkleben der Alufolie auf den Fotokarton
• Papier zum Bekleben (optional) — 1 Streifen 145 × 100 mm
  A4-Blatt mit aufgedruckter Vorlage E zum Verzieren

Werkzeuge

• Schere — Vorlagen, Fotokarton und Alufolie ausschneiden
• Vorstecher oder spitzer Bleistift — das 5-mm-Loch im Lampenkopf und das 6-mm-Loch seitlich in der Rolle machen Erwachsene
• Cuttermesser und Schneidematte — die Scheibe aus Wellpappe ausschneiden Erwachsene
• Lineal — die Positionen auf der Rolle und die Streifen abmessen
• Spitzzange (optional) — die LED-Beinchen biegen und die Hebelklammer aufbiegen

Teile und Vorlagen

• C · Lampenkopf (hält die LED) ×1 — Wellpappe 3 mm
• R · Reflektorkegel ×1 — Fotokarton 160–200 g/m², innen mit Alufolie beklebt
• D · Hinterer Deckel ×1 — Wellpappe 3 mm
• E · Deko-Hülle und Bohrschablone ×1 — Papier 80 g/m²
• F · Leiterstreifen aus Alu ×2 — gefaltete Alufolie

Schritt für Schritt

1. Teste die LED

   Stecke die CR2032 zwischen die beiden LED-Beinchen: das lange auf die große Seite mit dem eingeprägten „+“, das kurze auf die andere Seite. Drück mit den Fingern zusammen: Die LED muss leuchten.

   Prüfe: Leuchtet sie nicht, dreh die Batterie um. Leuchtet sie immer noch nicht, nimm eine andere LED.
   Tipp: Merke: langes Beinchen = Plus (+). Sind die Beinchen schon gekürzt, ist das an der flachen Seite des LED-Sockels der Minuspol.

2. Bereite den Lampenkopf vor Erwachsene

   Schneide die Scheibe C (Ø 42 mm) aus und stich mit dem Vorstecher in die Mitte, bis das Loch 5 mm misst. Steck die LED von hinten hinein, bis ihr Sockel anschlägt: Der Kopf ist vorn, die Beinchen hinten.

   Prüfe: Die LED sitzt fest und gerade, ohne Kleber.

3. Isoliere den Rand der Batterie Erwachsene

   Wickle einmal Klebeband um den Rand der Batterie (die runde Kante) und lass beide flachen Seiten frei. Der Rand gehört zum Pluspol, und so berührt ihn der Streifen vom Minuspol nicht.

   Tipp: Schneide überstehendes Klebeband mit der Schere ab, damit es die Seiten nicht verdeckt.

4. Befestige das lange Beinchen am Pluspol

   Biege zuerst das kurze LED-Beinchen 3 mm hinter dem Lampenkopf im rechten Winkel nach außen: Bleibt es gerade, stößt es an die Batterie. Biege dann das lange Beinchen 5 mm hinter dem Lampenkopf im rechten Winkel zur anderen Seite und lege es flach auf die „+“-Seite der Batterie. Halte es mit 2 Stück Klebeband über Kreuz fest und drück gut an.

   Prüfe: Die Batterie hängt am langen Beinchen hinter dem Lampenkopf; das kurze Beinchen zeigt zur anderen Seite, ohne die Batterie zu berühren, und die LED leuchtet NOCH NICHT.

5. Mach die Leiterstreifen

   Schneide zwei Alustreifen von 30 × 120 mm und falte jeden der Länge nach dreimal, bis er etwa 4 mm breit ist. Das sind die Teile F.

6. Verbinde Streifen A mit dem Minuspol

   Lege 15 mm eines Streifens F (Streifen A) mittig auf die „−“-Seite der Batterie und klebe ihn mit Klebeband darüber fest. Der Streifen muss auf der Seite der Batterie herauskommen, die dem kurzen LED-Beinchen gegenüberliegt.

   Prüfe: Streifen A berührt nur die „−“-Seite: weder den umwickelten Rand noch das lange Beinchen.

7. Verbinde Streifen B mit dem kurzen Beinchen

   Das kurze Beinchen zeigt seit Schritt 4 nach außen. Wickle 10 mm des anderen Streifens F (Streifen B) fest um seine Spitze und deck die Verbindung mit Klebeband ab, damit kein Metall frei liegt. Umhülle dann Streifen B: Schneide Klebeband von 1 cm Breite (halbes Band) und falte es der Länge nach über B, auf beiden Seiten, vom kurzen Beinchen an, bis nur noch die letzten 60 mm ohne Band sind. So können A und B zusammen durch dasselbe Loch, ohne Kontakt zu machen.

   Prüfe: Berühre gleichzeitig das Ende von Streifen A und die freie Spitze von Streifen B: Die LED muss leuchten. Lass los: Sie geht aus.

8. Bau den Reflektor

   Klebe mit dem Klebestift Alufolie auf ein Stück Fotokarton von 8 × 8 cm, glänzende Seite sichtbar. Klebe auf die andere Seite die Vorlage R und schneide sie aus. Rolle sie zu einem Kegel mit dem Alu innen und klebe die 10°-Lasche außen mit Klebeband fest.

   Prüfe: Der Kegel hat 40 mm Öffnung, und der LED-Kopf (5 mm) passt durch das kleine 8-mm-Loch.

9. Setz den Reflektor auf den Lampenkopf

   Setz den Kegel vor den Lampenkopf, mit dem LED-Kopf im kleinen Loch. Befestige ihn mit 3 Stückchen Klebeband an der Scheibe. Das Alu berührt nur den Kunststoff der LED, nie die Beinchen, die auf der anderen Seite der Scheibe sind.

10. Stich das Loch in die Rolle Erwachsene

    Wickle die Vorlage E um die Rolle, mit der Kante „VORN“ bündig an der Öffnung, und klebe sie fest. Stich den markierten Kreis (40 mm von der Öffnung) mit dem Vorstecher durch und weite ihn mit einem Bleistift durch Drehen auf 6 mm.

11. Setz das Lichtmodul ein

    Führe beide Streifen zusammen von innen durch das 6-mm-Loch, von der Öffnung der Rolle aus (weil B mit Klebeband umhüllt ist, dürfen sie sich berühren), und schieb den Lampenkopf mit dem Kegel hinein, bis die Scheibe 28 mm von der Öffnung sitzt und der Kegel bündig mit ihr ist. Zieh an den Streifen, damit sie nicht locker sind.

    Prüfe: Der Lampenkopf sitzt gerade und wackelt nicht, und die Klebebandhülle von B schaut außen aus dem Loch. Ist der Kopf locker, wickle einmal Klebeband um seinen Rand.

12. Bring die Kontaktklammer an

    Führe Streifen B vom Loch nach hinten, auf einer Linie 10 mm rechts von der Achse der Klammern. Seine Klebebandhülle muss bis 70 mm von der Öffnung reichen (ist sie zu kurz, ergänze Klebeband bis dorthin): So ist er unter dem Hebel isoliert. Knick ihn zur Achse hin und schneide ihn bei 90 mm ab: Das Stück von 70 bis 90 mm bleibt ohne Band. Leg die Kontaktklammer (32 mm lang) darauf, von 68 bis 100 mm, und klebe sie nur an ihrer hinteren Hälfte fest, von 85 bis 100 mm.

    Prüfe: Zwischen 68 und 85 mm liegt die Kontaktklammer frei, ohne Klebeband darüber, auf dem blanken Alu von B.

13. Bring die Hebelklammer an

    Klebe Streifen A zwischen 45 und 55 mm von der Öffnung auf die Achse der Klammern. Leg das Ende der zweiten Klammer darauf (von 45 bis 77 mm) und halte es mit zwei Runden Klebeband nur zwischen 45 und 55 mm fest. Biege die Klammer nach oben, sodass ihre Spitze 4–5 mm über der Kontaktklammer steht.

    Prüfe: Drückst du die Spitze der Hebelklammer, berührt sie den Kontakt und die LED leuchtet; lässt du los, federt die Klammer hoch und die LED geht aus.

14. Schließ mit dem hinteren Deckel

    Schneide den Deckel D (Ø 46 mm) aus und befestige ihn an der hinteren Öffnung mit einem 3 cm langen Klebeband-Scharnier auf einer Seite und einer umgeschlagenen Klebeband-Lasche auf der anderen, damit du ihn zum Batteriewechsel öffnen kannst.

15. Teste im Dunkeln

    Mach das Licht aus und leuchte aus 1 m Abstand auf eine Wand. Drück die Klammer: Du siehst einen Lichtkreis von etwa 30–40 cm. Miss seinen Durchmesser mit und ohne Reflektorkegel.

Funktioniert es? Der Test

Leuchte in einem dunklen Raum aus 1 m Abstand auf eine weiße Wand und drück die Hebelklammer 10-mal hintereinander (an–aus).

Was passieren soll: Die LED leuchtet bei jedem Drücken ohne Flackern und geht beim Loslassen aus. Auf der Wand erscheint ein heller Lichtfleck von ≈ 30–40 cm. Bei losgelassenem Schalter muss die LED ganz aus sein (glimmt sie schwach, gibt es einen Wackelkontakt).

Wenn etwas nicht klappt

• Die LED leuchtet beim Drücken nicht — LED verkehrt herum, beschichtete Büroklammer oder der Streifen hat keinen Kontakt zur Klammer. Lösung: Teste zuerst die Batterie direkt an den Beinchen (Schritt 1). Nimm Klammern ohne Kunststoff und achte darauf, dass der Streifen flach unter der Klammer liegt, ohne Klebeband dazwischen.
• Die LED glimmt ohne Drücken oder geht nicht aus — Streifen B hat seine Klebebandhülle verloren und berührt Streifen A (sie gehen zusammen durchs Loch), oder das kurze Beinchen berührt die Batterie. Lösung: Prüfe die Klebebandhülle von B auf ganzer Länge, vom kurzen Beinchen bis 70 mm von der Öffnung, und umwickle das kurze Beinchen mit Klebeband; es muss nach außen zeigen, weg von der Batterie.
• Die Batterie wird warm oder ist in Minuten leer — Kurzschluss: Der Streifen vom Minuspol berührt den Rand der Batterie (Pluspol) oder das Alu des Reflektors berührt die Beinchen. Lösung: Nimm die Batterie sofort heraus. Erneuere das Klebeband am Rand und prüfe, dass der Reflektorkegel vor der Scheibe sitzt und kein Metall berührt.
• Funktioniert nur ab und zu — Der Alustreifen ist im Loch der Rolle zerknittert oder gerissen. Lösung: Mach dickere Streifen (öfter falten) oder nimm Alu-Klebeband; verstärke den Durchgang durchs Loch mit Klebeband.
• Die Hebelklammer federt nicht zurück — Sie ist zu stark gebogen oder das Klebeband hält sie zu nah an der Spitze. Lösung: Klebe nur die 10 mm am Ende fest und biege die Spitze wieder 4–5 mm nach oben.
• Das Licht streut sehr — Die LED sitzt zu tief oder zu weit vorn im Verhältnis zum Kegel. Lösung: Der LED-Kopf soll 3–5 mm in den Kegel ragen, nicht mehr.

Sicherheit

• Knopfzellen: Verschluckt ein Kind eine, kann sie innerhalb von 2 Stunden die Speiseröhre verätzen. Bewahre sie außer Reichweite von Kindern unter 6 Jahren auf und geh bei jedem Verdacht sofort in die Notaufnahme.
• Verbinde nie beide Seiten der Batterie mit Alufolie oder einer Büroklammer: Der Kurzschluss macht sie heiß und leer.
• Schau nicht aus der Nähe direkt in die LED und richte sie nicht auf die Augen anderer: Helle weiße LEDs blenden.
• Den Vorstecher benutzt ein Erwachsener; Scheibe oder Rolle liegen dabei auf einem Radiergummi oder einem Stück Kork.
• Leere Batterien gehören in die Batteriesammlung, nicht in den Müll.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Die Batterie ist wie ein Wasserbehälter oben auf einem Berg: Der Strom will von der Plus- zur Minusseite hinunter, kann aber nur über einen Weg aus Metall fließen. Dieser Weg führt durch die LED, die aufleuchtet, wenn der Strom hindurchfließt. Die Klammer ist wie eine Zugbrücke: Drückst du sie, geht die Brücke runter und der Strom fließt; lässt du los, geht die Brücke hoch und das Licht geht aus. Der glänzende Kegel ist ein Spiegel, der das Licht auffängt, das zur Seite entwischen würde, und es nach vorn schickt.

Für Erwachsene

Eine CR2032 (Lithium-Mangandioxid) liefert im Leerlauf 3,0–3,2 V und hat einen Innenwiderstand von ≈ 10–20 Ω. Eine weiße LED (blauer InGaN-Chip + gelber Leuchtstoff) beginnt bei ≈ 2,7–2,9 V zu leiten und braucht für 20 mA ≈ 3,1–3,3 V; mit der Knopfzelle begrenzt sich der Strom durch den Innenwiderstand selbst auf ≈ 10–20 mA, deshalb ist kein Widerstand nötig (mit 2 AA-Batterien, deren Innenwiderstand sehr klein ist, schon: R = (V_Batterien − V_LED)/I; für eine rote LED (3,0 − 2,0)/0,01 = 100 Ω; bei einer weißen ist der Spielraum so klein, dass 22 Ω als Schutz genügen). Die LED ist eine Diode: Sie leitet nur von der Anode (langes Beinchen) zur Kathode. Mit 220 mAh und ≈ 15 mA im Mittel hält sie ≈ 10–15 h, mit abnehmender Helligkeit, weil die Spannung sinkt. Der Schalter ist ein Taster, der im Ruhezustand offen ist: Die Stahlklammer federt durch ihre Elastizität beim Loslassen in die offene Stellung zurück. Aluminium (spezifischer Widerstand 2,7·10⁻⁸ Ω·m) leitet sehr gut; ein Streifen von 4 mm × 8 Lagen × 120 mm hat einen vernachlässigbaren Widerstand (< 0,05 Ω), aber genau diese Leitfähigkeit verursacht Kurzschlüsse, wenn nicht isoliert wird. Der Reflektorkegel lenkt das Licht, das die LED unter großem Winkel abstrahlt, nach vorn (eine 5-mm-LED strahlt in einem Kegel von ≈ 20–30° mit breiterem Hof) und bündelt so den Strahl.

• Stromkreis: geschlossener Weg, auf dem der Strom von einem Pol der Batterie zum anderen fließt.
• Schalter: Bauteil, das den Weg des Stroms öffnet oder schließt.
• LED: Leuchtdiode: ein kleines Licht, das nur funktioniert, wenn du es richtig herum anschließt.
• Polarität: die Plus- und die Minusseite einer Batterie oder einer LED.
• Kurzschluss: Abkürzung, über die der Strom zur Batterie zurückfließt, ohne durch die LED zu gehen; leert die Batterie und macht sie heiß.
• Reflektor: glänzende Fläche, die Licht zurückwirft, um es zu lenken.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene baut das Lichtmodul (Schritte 2–7) und sticht das Loch in die Rolle. Das Kind testet die LED mit der Batterie (Schritt 1), baut den Reflektor, bringt die Klammern an und verziert die Hülle. Konzentriere dich auf „geschlossener Weg = Licht“.
• 8–10 Jahre: Sie machen alle Schritte; der Erwachsene sticht die Löcher und prüft vor dem Schließen die Isolierung am Batterierand. Lass sie den Leiter-Detektor machen.
• 11–12 Jahre: Lass sie den Schaltplan mit Symbolen zeichnen, die Laufzeit der Batterie mit einem Helligkeitsdiagramm messen und eine Version mit 2 AA-Batterien und berechnetem Widerstand entwerfen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Paare, eine Taschenlampe pro Kind (≈ 1 € für LED und Batterie). Vorher: alle LEDs testen, Scheiben C und D und Kegel R vorschneiden und die Alustreifen zuschneiden. 60 min: 10 min Vorführung mit offenem und geschlossenem Stromkreis, 40 min Bauen und 10 min „Dunkelkammer“, um die Lichtkegel an der Wand zu vergleichen. Teile die Batterien einzeln aus und sammle übrige am Ende wieder ein. Halte 3–4 Ersatz-LEDs und -Batterien bereit.

Challenges

• Bau einen Dauerlicht-Modus: ein Gummiband, das du über die Hebelklammer schiebst, damit sie gedrückt bleibt.
• Bau eine zweifarbige Taschenlampe mit einem Schalter für jede LED.
• Mach eine Signallampe und schick eine Nachricht im Morsecode ans andere Ende des Zimmers.
• Entwirf einen besseren Reflektor (länger, anderer Winkel) und zeig mit dem Fleck an der Wand, dass er das Licht stärker bündelt.

Weitere kostenlose Projekte

• Ballonrakete an der Schnur
• Hebel-Katapult
• Schaumvulkan
• Dunkelkammer, die Bilder projiziert
• Scheibe mit zwei Seiten, die verschmelzen

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